【手続補正書】
【提出日】平成18年5月26日(2006.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】端面発光素子および端面発光素子アレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電形の半導体基板上に少なくとも２つの半導体層が積層された端面発光素子において、
前記半導体基板と、前記半導体基板の直上に設けられた第１導電形の半導体層との間であって、光出射端面とは遠い領域に設けられた、前記第１の導電形とは反対の第２の導電形の半導体層を備えることを特徴とする端面発光素子。
【請求項２】
第１の導電形半導体基板上に、第１の導電形の第１の半導体層と、第１の導電形とは反対の第２の導電形の第２の半導体層とが順次積層された端面発光ダイオードにおいて、
前記半導体基板と前記第１の半導体層との間であって、光出射端面とは遠い領域に設けられた、第２の導電形の半導体層を備えることを特徴とする端面発光ダイオード。
【請求項３】
第１の導電形半導体基板上に、第１の導電形の第１の半導体層と、第１の導電形とは反対の第２の導電形の第２の半導体層と、第１の導電形の第３の半導体層と第２の導電形の第４の半導体層とが順次積層された端面発光サイリスタタおいて、
前記半導体基板と前記第１の半導体層との間であって、光出射端面とは遠い領域に設けられた、第２の導電形の半導体層を備えることを特徴とする端面発光サイリスタ。
【請求項４】
請求項３に記載の端面発光サイリスタを用いた自己走査型端面発光素子アレイ。
【請求項５】
請求項４に記載の自己走査型発光素子アレイを用いた光プリントヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の光プリントヘッドを備える光プリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光取出し効率の高い端面発光素子およびこのような端面発光素子のアレイに関する。本発明は、さらに、端面発光素子アレイを有する光プリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
端面発光素子は、光出力が取り出される発光部と、電極とが同一面上に存在しないので、高密度化に有利であり、光プリンタ等の光源（光プリントヘッド）に適している。
【０００３】
光プリントヘッドを備える光プリンタの原理図を図１に示す。円筒形の感光ドラム２の表面に、アモルファスＳｉ等の光導電性を持つ材料（感光体）が作られている。このドラムはプリントの速度で回転している。回転しているドラムの感光体表面を、帯電器４で一様に帯電させる。そして、光プリントヘッド６で、印字するドットイメージの光を感光体上に照射し、光の当たったところの帯電を中和する。続いて、現像器８で感光体上の帯電状態にしたがって、トナーを感光体上につける。そして、転写器１０でカセット１２中から送られてきた用紙１４上に、トナーを転写する。用紙は、定着器１６にて熱等を加えられ定着され、スタッカ１８に送られる。一方、転写の終了したドラムは、消去ランプ２０で帯電が全面にわたって中和され、清掃器２２で残ったトナーが除去される。
【０００４】
このような光プリントヘッドには、多数個の端面発光素子を直線状に配列した端面発光素子アレイが用いられる。
【０００５】
端面発光素子には、代表的なものとして、端面発光ダイオードがあるが、本願の発明者らは発光素子アレイの構成要素としてＰＮＰＮ構造を持つ発光サイリスタに注目し、発光点の自己走査が実現できることを既に特許出願（特開平１−２３８９６２号、特開平２−１４５８４号、特開平２−９２６５０号、特開平２−９２６５１号）し、光プリンタ用光源として実装上簡便となること、発光素子ピッチを細かくできること、コンパクトな発光素子アレイを作製できること等を示している。このような発光素子アレイは、端面発光サイリスタアレイとして構成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、端面発光ダイオードおよび端面発光サイリスタのいずれも、光出射端面から遠い部分の発光は光出力にあまり寄与せず、光取出し効率が悪いという問題点があった。
【０００７】
図２は、従来の端面発光ダイオードの断面を示す。Ｎ形半導体基板３０上にＮ形半導体層３２，Ｐ形半導体層３４が積層され、Ｎ形半導体層３４上にアノード電極３６が設けられている。Ｐ形半導体基板３０の裏面には、カソード電極（図示せず）が設けられている。
【０００８】
アノード電極３６からの注入電流Ｉは、カソード電極に向かって、Ｐ形半導体層３４およびＮ形半導体層３２内を均一に流れ、Ｎ形半導体層３２からの電子がＰ形半導体層３４のホールと結合して発光する。
【０００９】
この場合、光出射端面３８から遠い部分の発光は、光出射端面からの光出力にあまり寄与しない。というのは、発光層を通過する間に、特に短波長側の成分が大きな吸収を受けるからである。
【００１０】
したがって注入電流に対する光取出し効率が良くないという問題がある。この問題は、端面発光サイリスタについても同様である。
【００１１】
本発明の目的は、光取出し効率を高め、発光光量を増大させた端面発光素子を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、このような端面発光素子のアレイを提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、このような面発光素子アレイを用いた光プリントヘッドを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１導電形の半導体基板上に少なくとも２つの半導体層が積層された端面発光素子において、前記半導体基板と、前記半導体基板の直上に設けられた第１導電形の半導体層との間であって、光出射端面とは遠い領域に設けられた、前記第１の導電形とは反対の第２の導電形の半導体層を備えることを特徴とする。
【００１５】端面発光素子がダイオードである場合には、第１の導電形半導体基板上に、第１の導電形の第１の半導体層と、第１の導電形とは反対の第２の導電形の第２の半導体層とが順次積層され、前記半導体基板と前記第１の半導体層との間であって、光出射端面とは遠い領域に設けられた、第２の導電形の半導体層を備えている。
【００１６】
端面発光素子がサイリスタである場合には、第１の導電形半導体基板上に、第１の導電形の第１の半導体層と、第１の導電形とは反対の第２の導電形の第２の半導体層と、第１の導電形の第３の半導体層と第２の導電形の第４の半導体層とが順次積層され、前記半導体基板と前記第１の半導体層との間であって、光出射端面とは遠い領域に設けられた、第２の導電形の半導体層を備えている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明の一実施例である端面発光ダイオードの断面図である。図２の構造において、Ｎ形半導体基板３０とＮ形半導体層３２との間であって、光出射端面３８より遠い方の領域に、Ｐ形半導体層３１を設けている。
【００１８】
このような構造の端面発光ダイオードによれば、アノード電極・カソード電極間に順方向電圧が印加されると、Ｐ形半導体層３１とＮ形半導体層３２との間のＰＮ接合は逆バイアスされる結果、このＰＮ接合を電流は流れることができない。したがって、アノード電極３６からの注入電流Ｉは、図３に示すように、光出射端面３８の近くを集中して流れる。これにより、発光中心が光出射端面３８に近づく結果、光取出し効率が向上し、発光光量が増加する。
【００１９】
図４は、本発明の他の実施例である端面発光サイリスタの断面図である。Ｎ形半導体基板４０上に、Ｐ形半導体層４１，Ｎ形半導体層４２，Ｐ形半導体層４４，Ｎ形半導体層４６，Ｐ形半導体層４８が順次積層されている。Ｐ形半導体層４８上にアノード電極５０が、Ｎ形半導体層４６上にゲート電極５２が、Ｎ形半導体基板４０の裏面にはカソード電極（図示せず）が設けられている。
【００２０】
Ｐ形半導体基板４０とＮ形半導体層４２との間に設けられているＰ形半導体層４１は、光出射端面５４より遠い方の領域に設けられている。
【００２１】
このような構造の端面発光サイリスタによれば、アノード電極・カソード電極間に順方向電圧が印加されると、Ｐ形半導体層４１とＮ形半導体層４２との間のＰＮ接合は逆バイアスされる結果、このＰＮ接合を電流は流れることができない。したがって、アノード電極５０からの注入電流Ｉは、図４に示すように、光出射端面５４の近くを集中して流れる。これにより、発光中心が光出射端面５４に近づく結果、光取出し効率が向上し、発光光量が増加する。
【００２２】
以上、端面発光ダイオードおよび端面発光サイリスタの実施例をそれぞれ説明したが、図示の構成において、半導体基板および半導体層の導電形を反対の導電形にしても、本発明が成り立つことは明らかである。
【００２３】
次に、図４の端面発光サイリスタを用いた自己走査型端面発光素子アレイについて説明する。
【００２４】
まず、自己走査型端面発光素子アレイの３つの基本構造について説明する。
【００２５】
図５は、自己走査型端面発光素子アレイの第１の基本構造の等価回路図である。発光素子として、端面発光サイリスタＴ（−２）〜Ｔ（＋２）を用い、発光サイリスタＴ（−２）〜Ｔ（＋２）には、各々ゲート電極Ｇ-2〜Ｇ+2が設けられている。各々のゲート電極には、負荷抵抗ＲL を介して電源電圧ＶGKが印加される。また、各々のゲート電極Ｇ-2〜Ｇ+2は、相互作用を作るために抵抗ＲI を介して電気的に接続されている。また、各単体発光サイリスタのアノード電極に、３本の転送クロックライン（φ1 ，φ2 ，φ3 ）が、それぞれ３素子おきに（繰り返されるように）接続される。
【００２６】
動作を説明すると、まず転送クロックφ3 がハイレベルとなり、発光サイリスタＴ（０）がオンしているとする。このとき３端子サイリスタの特性から、ゲート電極Ｇ0 は零ボルト近くまで引き下げられる。電源電圧ＶGKを仮に５ボルトとすると、負荷抵抗ＲL 、相互作用抵抗ＲI のネットワークから各発光サイリスタのゲート電圧が決まる。そして、発光サイリスタＴ（０）に近い素子のゲート電圧が最も低下し、以降順にＴ（０）から離れるにしたがいゲート電圧は上昇していく。これは次のように表せる。
【００２７】
ＶG0＜ＶG1＝ＶG-1 ＜ＶG2＝ＶG-2 （１）
これらの電圧の差は、負荷抵抗ＲL ，相互作用抵抗ＲI の値を適当に選択することにより設定することができる。
【００２８】
３端子サイリスタのアノード側のターンオン電圧ＶONは、ゲート電圧より拡散電位Ｖdif だけ高い電圧となることが知られている。
【００２９】
ＶON≒ＶG ＋Ｖdif （２）
したがって、アノードにかける電圧をこのターンオン電圧ＶONより高く設定すれば、その発光サイリスタはオンすることになる。
【００３０】
さてこの発光サイリスタＴ（０）がオンしている状態で、次の転送クロックパルスφ1 にハイレベル電圧ＶH を印加する。このクロックパルスφ1 は発光サイリスタＴ（＋１）とＴ（−２）に同時に加わるが、ハイレベル電圧ＶH の値を次の範囲に設定すると、発光サイリスタＴ（＋１）のみをオンさせることができる。
【００３１】
ＶG-2 ＋Ｖdif ＞ＶH ＞ＶG+1 ＋Ｖdif （３）
これで発光サイリスタＴ（０），Ｔ（＋１）が同時にオンしていることになる。そしてクロックパルスφ3 のハイレベル電圧を切ると、発光サイリスタＴ（０）がオフとなりオン状態の転送ができたことになる。
【００３２】
このように、自己走査型端面発光素子アレイでは抵抗ネットワークで各発光サイリスタのゲート電極間を結ぶことにより、発光サイリスタに転送機能をもたせることが可能となる。
【００３３】
上に述べたような原理から、転送クロックφ1 ，φ2 ，φ3 のハイレベル電圧を順番に互いに少しずつ重なるように設定すれば、発光サイリスタのオン状態は順次転送されていく。すなわち、発光点が順次転送され、自己走査型端面発光素子アレイを実現することができる。
【００３４】
図６は、自己走査型端面発光素子アレイの第２の基本構造の等価回路図である。この自己走査型端面発光素子アレイは、発光サイリスタのゲート電極間の電気的接続の方法としてダイオードを用いている。発光サイリスタＴ（−２）〜Ｔ（＋２）は、一列に並べられた構成となっている。Ｇ-2〜Ｇ+2は、発光サイリスタＴ（−２）〜Ｔ（＋２）のそれぞれのゲート電極を表す。ＲL はゲート電極の負荷抵抗を表し、Ｄ-2〜Ｄ+2は電気的相互作用を行うダイオードを表す。またＶGKは電源電圧を表す。各単体発光サイリスタのアノード電極に、２本の転送クロックライン（φ1 ，φ2 ）がそれぞれ１素子おきに接続される。
【００３５】
動作を説明する。まず転送クロックφ2 がハイレベルとなり、発光サイリスタＴ（０）がオンしているとする。このとき３端子サイリスタの特性からゲート電極Ｇ0 は零ボルト近くまで引き下げられる。電源電圧ＶGKを仮に５ボルトとすると、抵抗ＲL ，ダイオードＤ-2〜Ｄ+2のネットワークから各発光サイリスタのゲート電圧が決まる。そして発光サイリスタＴ（０）に近い素子のゲート電圧が最も低下し、以降順にＴ（０）から離れるにしたがいゲート電圧は上昇していく。
【００３６】
しかしながら、ダイオード特性の一方向性，非対称性から、電圧を下げる効果は、Ｔ（０）の右方向にしか働かない。すなわちゲート電極Ｇ1 はＧ0 に対し、ダイオードの順方向立ち上がり電圧Ｖdif だけ高い電圧に設定され、ゲート電極Ｇ2 はＧ1 に対し、さらにダイオードの順方向立ち上がり電圧Ｖdif だけ高い電圧に設定される。一方、Ｔ（０）の左側のゲート電極Ｇ-1はダイオードＤ-1が逆バイアスになっているため電流が流れず、したがって電源電圧ＶGKと同電位となる。
【００３７】
次の転送クロックパルスφ1 は、最近接の発光サイリスタＴ（１），Ｔ（−１）、そしてＴ（３）およびＴ（−３）等に印加されるが、これらのなかで、最もターンオン電圧の低い素子はＴ（１）であり、Ｔ（１）のターンオン電圧は約Ｇ1 のゲート電圧＋Ｖdif であるが、これはＶdif の約２倍である。次にターン電圧の低い素子はＴ（３）であり、Ｖdif の約４倍である。Ｔ（−１）とＴ（−３）のオン電圧は、約ＶGK＋Ｖdif となる。
【００３８】
以上から、転送クロックパルスのハイレベル電圧をＶdif の約２倍からＶdifの約４倍の間に設定しておけば、発光サイリスタＴ（１）のみをオンさせることができ、転送動作を行うことができる。
【００３９】
図７は、自己走査型端面発光素子アレイの第３の基本構造の等価回路図である。この自己走査型端面発光素子アレイは、スイッチ素子Ｔ（−１）〜Ｔ（２）、書き込み用発光素子Ｌ（−１）〜Ｌ（２）からなる。スイッチ素子部分の構成は、ダイオード接続を用いた例を示している。スイッチ素子のゲート電極Ｇ-1〜Ｇ1 は、書き込み用発光素子のゲートにも接続される。書き込み用発光素子のアノードには、書き込み信号Ｓinが加えられている。
【００４０】
以下に、この自己走査型端面発光素子アレイの動作を説明する。いま、転送素子Ｔ（０）がオン状態にあるとすると、ゲート電極Ｇ0 の電圧は、ＶGK（ここでは５ボルトと想定する）より低下し、はぼ零ボルトとなる。したがって、書き込み信号Ｓinの電圧が、ＰＮ接合の拡散電位（約１ボルト）以上であれば、発光素子Ｌ（０）を発光状態とすることができる。
【００４１】
これに対し、ゲート電極Ｇ-1は約５ボルトであり、ゲート電極Ｇ1 は約１ボルトとなる。したがって、発光素子Ｌ（−１）の書き込み電圧は約６ボルト、発光素子Ｌ（１）の書き込み電圧は約２ボルトとなる。これから、発光素子Ｌ（０）のみに書き込める書き込み信号Ｓinの電圧は、約１〜２ボルトの範囲となる。発光素子Ｌ（０）がオン、すなわち発光状態に入ると、書き込み信号Ｓinラインの電圧は約１ボルトに固定されてしまうので、他の発光素子が選択されてしまう、というエラーは防ぐことができる。
【００４２】
発光強度は書き込み信号Ｓinに流す電流量で決められ、任意の強度にて画像書き込みが可能となる。また、発光状態を次の素子に転送するためには、書き込み信号Ｓinラインの電圧を一度零ボルトまでおとし、発光している素子をいったんオフにしておく必要がある。
【００４３】
以上のような自己走査型端面発光素子アレイは、半導体ウェハに集積した後、切り出して１つの半導体チップ（以下、発光素子アレイチップという）の形にし、これを必要個数配列して長尺のものを作製する。
【００４４】
図８は、自己走査型端面発光素子アレイを用いた光プリントヘッドの一例を示す斜視図である。プリント配線基板６１上に自己走査型端面発光素子アレイ６２と、セルフォックレンズアレイ６３（セルフォックレンズは日本板硝子（株）の登録商標である）とが貼り付けられて実装されている。
【００４５】
自己走査型端面発光素子アレイ６２は、発光素子アレイチップ６９を連続して直線状に配列することにより構成される。例えば、１つの発光素子アレイチップは、１２００ＤＰＩで、２５６個の発光素子が配列されているものとすると、チップ長さは約５．４ｍｍとなる。また発光素子の発光点のサイズは、例えば５μｍ×１μｍである。
【００４６】
一方、セルフォックレンズアレイ６３は、所定本数のセルフォックレンズ６４を、１つの基板６５上に配列し固着したセルフォックレンズアレイ・ユニット６６を連続して直線状に配列することにより構成される。
【００４７】
発光素子の光出射端面からの光は、セルフォックレンズ６４により、感光ドラム２の表面に結像する。
【００４８】
以上のような端面発光サイリスタアレイを用いた光プリントヘッドによれば、各端面発光素子の光量が増大しているので、低消費電力で印刷品位を保持することが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の端面発光素子によれば、注入電力を光出射端面の近くに集中することができるので、光出射端面より取り出される光量を増大でき、したがって光取出し効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光プリンタの原理を説明するための図である。
【図２】従来の端面発光ダイオードの断面図である。
【図３】本発明の一実施例である端面発光ダイオードの断面図である。
【図４】本発明の他の実施例である端面発光サイリスタの断面図である。
【図５】自己走査型端面発光素子アレイの第１の基本構造の等価回路図である。
【図６】自己走査型端面発光素子アレイの第２の基本構造の等価回路図である。
【図７】自己走査型端面発光素子アレイの第３の基本構造の等価回路図である。
【図８】自己走査型端面発光素子アレイを用いた光プリントヘッドの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
３０，４０ Ｎ形半導体基板
３２，４２，４６ Ｎ形半導体層
３１，３４，４１，４４，４８ Ｐ形半導体層
３６，５０ アノード電極
３８，５４ 光出射端面
５２ ゲート電極
６１ プリント配線基板
６２ 自己走査型端面発光素子アレイ
６３ セルフォックレンズアレイ
６４ セルフォックレンズ
６６ セルフォックレンズアレイ・ユニット